Zazwyczaj kiedy coś ściskamy, sprawiamy, że staje się to mniejsze. W Argonne National Laboratory z Chicago grupa naukowców wynalazła nowy auksetyk (z ang. auxetic), materiał, który pod wpływem ciśnienia rozszerza się. W tym przypadku jest to cyjanek cynku.
“To jest tak, jakby ścisnąć kamień, a w efekcie otrzymać gigantyczną gąbkę” – powiedział Karena Chapman, chemik z amerykańskiego laboratorium. Materiał uzyskany przez jej zespół pod wpływem nacisku rozszerzał się, zyskując porowatą strukturę, zamiast się kurczyć. Zazwyczaj materiały, które znamy pod wpływem ciśnienia zwiększają swoją gęstość i zmniejszając jednocześnie objętość. W tym przypadku jest dokładnie odwrotnie. Odkrycie to, może podwoić gamę materiałów porowatych dostępnych do produkcji, ochrony zdrowia i ochrony środowiska.
Materiał o strukturze podobnej do gąbki pod wpływem ciśnienia rozszerza się.
Naukowcy uważają, że pory w strukturze tego materiału można wykorzystać. Kształt otworów gąbki sprawia, że mogą być zastosowane jako filtry do wody, czujniki chemiczne i pochłaniacze dwutlenku węgla wodorowych ogniw paliwowych, nośniki leków. Poprzez dostosowanie szybkości uwalniania struktury, naukowcy mogą modyfikować np. czas dostarczania leków, inicjować reakcje chemiczne. Materiały można wykorzystać w kamizelkach kuloodpornych. W czasie normalnego funkcjonowania żołnierza czy policjanta materiał jest plastyczny, więc nie utrudnia ruchów. Natomiast momencie zetknięcia kuli z kamizelką, utwardza się na tyle szybko, że tworzy zbroję. Zastosowanie może znaleźć również w odzieży dla motocyklistów. W czasie wypadku, materiał błyskawicznie sztywnieje i chroni ciało.
Ponieważ sposób, w jaki zachowuje się materiał poddany wpływowi ciśnienia, wydaje się przeczyć obecnie obowiązującym zasadom, Chapman i jej koledzy spędzili kilka lat na różnego rodzaju testach.
Inżynierowie umieścili cyjanek cynku w tzw. imadle diamentowym, gdzie poddali go działaniu bardzo wysokiego ciśnienia o wysokości 0,9-1,8 gigapaskali (9000 do 18000 razy wiecęj niż wynosi ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza). Korzystając z płynów, którymi otaczano materiał, naukowcy stworzyli pięć faz (odmian) tego materiału. Rodzaj zastosowanej cieczy określał kształt porów gąbki. Okazało się, że dwa z nich zachowały swoje nowe zdolności w normalnym ciśnieniu. Naukowcy potwierdzili, że będą testować nową technikę innych materiałach.
Co to jest auksetyk?
Materiał takie są znane od kilkudziesięciu lat. to auksetyki, czyli materiały wykazujące ujemny współczynnik Poissona, deformują się niezgodnie z naszą intuicją – przy rozciąganiu/ściskaniu rosną/maleją nie tylko ich rozmiary w kierunku działania siły rozciągającej/ściskającej, ale także ich rozmiary w kierunkach poprzecznych do tego kierunku.
Wiodące na świecie badania nad negatywnym wskaźnikiem Poissona (Auxetic) materiałów i struktur występujących w grupie materiałów wielofunkcyjnych badają przeciw-intuicyjną właściwość, w której materiał rozszerza się poprzecznie przy rozciąganiu osiowym, tzn. przy rozciąganiu staje się grubszy!
Ta zaskakująca właściwość jest szeroko rozpowszechniona w świecie przyrody i została nawet zmierzona w ludzkim ciele, w którym skóra, ściany tętnic i kości trabechularne mają ujemny stosunek Poissona.
Materiały auksetyczne mają wiele zalet w porównaniu z konwencjonalnymi materiałami:
- Po umieszczeniu w zgięciu tworzą one kształt kopuły, a nie konwencjonalnego siodła, które jest idealne do produkcji podwójnie wygiętych elementów, takich jak elementy samolotów i samochodów.
- Po wgnieceniu materiał auksetyczny pod wgłębieniem zagęszcza się, co czyni go twardszym, idealnym do pakowania pianki odpornej na wgniecenia.
- Dopasowanie do rozszerzalności poprzecznej komponentów, aby zapobiec naprężeniom wewnętrznym pod obciążeniem.
- Materiały pomocnicze zostały z powodzeniem wykorzystane do wzmocnienia tłumienia drgań konstrukcji komórkowych stosowanych w rdzeniach płyt warstwowych w konstrukcjach lotniczych.
- Większość materiałów o ujemnym stosunku Poissona to ciała stałe komórkowe, takie jak plastry miodu i pianki, jednak pracują one we włóknach. Kompozyty y z włókien węglowych umożliwiły produkcję materiałów z włókien pomocniczych, które mogą być stosowane w połączeniu z dodatkowymi plastrami miodu lub piankami do tworzenia struktur warstwowych oraz do produkcji tkanin do tworzenia kurtyn nadmuchowych nowej generacji.
Źródło:
[1] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/ja4012707/suppl_file/ja4012707_si_006.pdf | 16.06.2013
[2] http://www.anl.gov/articles/discovery-new-material-state-counterintuitive-laws-physics | 16.06.2013
[3] Sponge-viscose by Johan, Wikimedia Commons, CC-BY-SA-3.0